HTTPS加密流程超详解（二）

2.进入正题

上篇文章介绍了如何简单搭建一个环境帮助我们分析，今天我们就进入正题，开始在这个环境下分析。

我们使用IE浏览器访问Web服务器根目录的test.txt文件并抓包，可以抓到如下6个包（前面的TCP三次握手在此略过）：

使用服务器私钥解密后的包是这个样子的：

接下来我们就结合这6个包来分析一下一个完整的HTTPS加解密流程。

第1包

Client Hello是TLS握手的第一步，客户端会将一个随机数、支持的加密套件、压缩算法等信息发送给服务器。

第2包

Server Hello，用来响应客户端的Client Hello，里面同样包含一个32字节的随机数，以及服务端选择的加密套件和压缩算法。
Certificate，服务端会把自己的证书发送给客户端，用来证明自己的身份，证书里面包含一个公钥，供后面的密钥交换使用。（客户端也可以发送证书证明身份，但是比较少见，我们这里就没有客户端证书）。
Server Hello Done，用以表示服务端的密钥交换过程已经结束。

第3包

Client Key Exchange，包含一个使用服务器公钥加密的预主密钥PreMasterSecret，解密后可以用来生成密钥。
Change Cipher Spec，表明握手协议已经完成。
Finished，表示握手结束，这条消息已经被协商好的密钥加密，也可以起到确认密钥的作用。

解密后的Finish消息如下，这里面包含一个Verify Data，是利用PRF函数算出来的，这个函数接下来会介绍，这里我们只需要知道函数的输入参数有：（1）两个hash值，是之前所有握手消息的MD5和SHA1；（2）MasterSecret，由PreMasterSecret生成；（3）finished_label，服务端使用“server finished”，客户端使用“client finished”。

接下来重点介绍下密钥的生成（下面代码中的加解密函数使用了OpenSSL库）：

解密Encrypted PreMasterSecret

刚才说到PreMasterSecret被服务器的公钥加密了，所以需要使用服务器的私钥解密，直接上代码：

FILE * priv_fp = fopen("C:\\Users\\hello\\Desktop\\server.key","r");//server.key为之前生成的服务器私钥文件
if (priv_fp == NULL)
{
	printf("read key error\n");
	return -1;
}

RSA *rsa = PEM_read_RSAPrivateKey(priv_fp, NULL, NULL, NULL);
if (rsa == NULL)
{
	printf("read key error\n");
	return -1;
}

len = RSA_private_decrypt(128, encrypted_premaster, premaster, rsa, RSA_PKCS1_PADDING);

可以解密出来48字节的PreMasterSecret：

密钥生成

密钥生成要使用一个很重要的伪随机函数，Pseudo-random Fuction（PRF），PRF函数原理如下：

该函数有3个输入，其中Secret相当于密钥；Label是一个标识符，不同场合会使用不同的字符串，比如“server finished”、”master secret”等；Seed是一个种子值，比如客户端和服务器的随机数。

该函数的代码实现如下：

static int tls_prf(Data *secret,char *usage,Data *rnd1,Data *rnd2,Data *out)
{
	int r,_status;
	Data *md5_out=0,*sha_out=0;
	Data *seed;
	UCHAR *ptr;
	Data *S1=0,*S2=0;
	int i,S_l;

	if(r=r_data_alloc(&md5_out,MAX(out->len,16)))
		return -1;
	if(r=r_data_alloc(&sha_out,MAX(out->len,20)))
		return -1;
	if(r=r_data_alloc(&seed,strlen(usage)+rnd1->len+rnd2->len))
		return -1;
	ptr=seed->data;
	memcpy(ptr,usage,strlen(usage)); ptr+=strlen(usage);
	memcpy(ptr,rnd1->data,rnd1->len); ptr+=rnd1->len;
	memcpy(ptr,rnd2->data,rnd2->len); ptr+=rnd2->len;    

	S_l=secret->len/2 + secret->len%2;

	if(r=r_data_alloc(&S1,S_l))
		return -1;
	if(r=r_data_alloc(&S2,S_l))
		return -1;

	memcpy(S1->data,secret->data,S_l);
	memcpy(S2->data,secret->data + (secret->len - S_l),S_l);

	if(r=tls_P_hash
		(S1,seed,EVP_get_digestbyname("MD5"),md5_out))
		return -1;
	if(r=tls_P_hash(S2,seed,EVP_get_digestbyname("SHA1"),sha_out))
		return -1;


	for(i=0;i<out->len;i++)
		out->data[i]=md5_out->data[i] ^ sha_out->data[i];

	_status=0;
abort:
	r_data_destroy(&md5_out);
	r_data_destroy(&sha_out);
	r_data_destroy(&seed);
	r_data_destroy(&S1);
	r_data_destroy(&S2);
	return(_status);
}

PRF要使用一个扩展函数（P_hash），原理图如下：

该函数的代码实现如下：

static int tls_P_hash(Data *secret,Data *seed,const EVP_MD *md,Data *out)
{
	UCHAR *ptr=out->data;
	int left=out->len;
	int tocpy;
	UCHAR *A;
	UCHAR _A[20],tmp[20];
	unsigned int A_l,tmp_l;
	HMAC_CTX hm;

	A=seed->data;
	A_l=seed->len;

	while(left){
		HMAC_Init(&hm,secret->data,secret->len,md);
		HMAC_Update(&hm,A,A_l);
		HMAC_Final(&hm,_A,&A_l);
		A=_A;

		HMAC_Init(&hm,secret->data,secret->len,md);
		HMAC_Update(&hm,A,A_l);
		HMAC_Update(&hm,seed->data,seed->len);
		HMAC_Final(&hm,tmp,&tmp_l);

		tocpy=MIN(left,tmp_l);
		memcpy(ptr,tmp,tocpy);
		ptr+=tocpy;
		left-=tocpy;
	}

	HMAC_cleanup(&hm);
	return 0;
}

了解了PRF函数后，就可以使用它做密钥生成（密钥扩展）了，下图完整阐述了密钥生成过程：

密钥生成代码如下：

tls_prf(&pre_master_secret, "master secret", &random1, &random2, &master_secret);

tls_prf(&master_secret, "key expansion", &random2, &random1, &key_block);

for (int i=0; i<16; i++)
{
	client_write_key[i] = key_block.data[40+i];
}

第一次调用PRF函数，使用PreMasterSecret、”master secret”和两个随机数（上述服务器和客户端各一个）作为输入参数，输出为一个48字节的主密钥MasterSecret：

第二次调用PRF函数，MasterSecret、”key expansion”和两个随机数作为输入参数，输出为一个Key_block，从41字节开始的16个字节为Client Write key，接下来16个字节为Server Write key，这两个就是接下来双方通信使用的RC4密钥：

第4包

Change Cipher Spec，表明握手协议已经完成。
Finished，表示握手结束，这条消息已经被协商好的密钥加密。

第5、6包

接下来就是传输应用层的信息了，这些信息使用之前协商好的密钥（Client Write key、Server Write key）加密，以客户端为例，解密代码如下：

EVP_CIPHER_CTX ctx;
EVP_CIPHER_CTX_init(&ctx);
int rv, outl;
rv = EVP_DecryptInit_ex(&ctx, EVP_rc4(), NULL, client_write_key, iv);//初始向量IV为0
EVP_DecryptUpdate(&ctx, out, &outl, ciphertext, ciphertextlen);

解密后的最后20个字节为MAC校验，这里使用的是SHA1算法。